浅谈NFC移动支付在手机平台中的应用

郝社华

摘要：随着手机智能化的不断推进及电信运营商为智能手机平台量身定制业务不断增长，NFC技术作为移动支付将成为手机设计公司的首选。在移动支付业务的不断发展中NFC功能模块将成为手机标配功能之一，为手机移动支付业务提供了成熟方案。该文介绍了NFC技术在手机平台方案中的实现，并研究了NFC技术在手机平台中的使用和博通NFC芯片组的设计特点。

关键词：NFC；无线通信；智能手机；移动支付

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）22-5388-03

NFC技术是由飞利浦公司在Mifare技术的基础上结合索尼公司的Felica技术开发出的非接触式通信技术，目前已经成为厂商支持的正式标准。该技术的成熟应用使得移动支付业务尤其是小额支付业务变得实时、便捷、快速。随着移动支付业务的发展，为适应新的支付形式，银行、信用卡机构、手机制造商、电信运营商、标准化机构、芯片厂商、安全原件供应商协同合作，使得NFC移动支付产业链不断完善。NFC软硬件解决方案日益成熟加快了NFC技术在移动终端上的普及，而手机支付业务占据整个移动支付领域内业务量的绝大部分，因此本文以手机移动支付为研究对象。

1 NFC技术特点及工作模式

1.1 NFC技术特点

NFC技术的前身是无线射频设别（RFID）技术和互联互通技术，在这两项技术的整合下逐渐演变成为一种短距离无线通信技术标准。NFC技术与现有非接触智能卡技术兼容，为目前厂商支持的设备间提供轻松、安全、迅速而自动的通信系统，这种通信方式是近距离私密通信方式。同时NFC还是一种近距离连接协议，让WIFI、蓝牙等无线技术在不同场合、不同领域互补，使得NFC可以有效填补移动终端和有这些通信模式的消费类电子产品之间的缺口。

NFC技术目标是使消费电子产品客户端的操作、配置简单，能够方便多台设备间的安全通信；在访问不同设备时，通过NFC技术可以简单快捷的存储数据和管理数据。NFC技术是在单一芯片上集成点对点、非接触式读卡器和非接触智能卡，通过天线发射和接受频谱中无线频率部分的电磁感应访问和被访问数据。NFC具有双向连接、双向识别的特点，它能在短距离内识别兼容设备并进行数据交换，是一种可以提供轻松、安全、迅速的无线连接技术。另外NFC通信具有距离近、带宽高、能耗低等特点，在0-20厘米距离内工作在13.56MHz的频点。

1.2 NFC工作模式

NFC技术有三种工作模式：主动、被动、双向。

1） 主动模式：NFC终端作为读其他设备中的信息，主动发出射频场去识别并读写其他NFC设备，获取想要的信息；

2） 被动模式：NFC终端模拟智能卡被读写，访问它的设备必须要有和NFC技术相同的射频场；

3） 双向模式：在该模式下既可以主动发出射频场来建立点对点的通信又可以作为智能卡来被其他特定设备读写。

2 博通BCM43341 NFC芯片的优势及在智能机设计中技术要点

2.1 博通BCM43341 NFC芯片

BCM43341芯片融合NFC、Bluetooth、WIFI、FM四种传输技术的芯片。博通NFC控制器是高度集成、低功耗的近场通信控制器，支持ISO/IEC 18092、ECMA-340和ETSI TS 102 190三种协议。同时也兼容具有ISO/IEC 14443 Type-A、B协议、JIS（X） 6319-4 FeliCa标准的非接触式智能卡，实现了包括NFC控制器接口（NCI）在内的规范并支持多种操作系统，为设计者提供了一个灵活的、可连接多种安全组件的接口，支持目前市场上的所有商业支付模式。

NFC功能的实现是通过NFC模拟前端芯片和安全单元，通过控制器、天线和软件组合实现手机点对点数据采集和交换，通过网络在线访问银行等金融系统快速实现手机支付功能。该方案中有独立的NFC功能芯片、天线、SIM卡、手机其他功能块。其中不独立的部分是NFC模块设计时采用与手机共用电池，电池有电时NFC模块可以在主动模式、被动模式和双向模式下工作；电池断电时只能在被动模式下工作。手机正常开关机对NFC模块无影响，即便在手机关机时也可以使用NFC模块的被动模式工作。

2.2 NFC功能在手机端实现的硬件架构

为实现NFC功能手机端框架（如图1所示），在本框架中MT6589T应用处理器是手机的主处理单元，NFC控制芯片是NFC功能的核心部件。它是NFC的调制解调器，并进行命令和数据的预处理。安全模块能够基于硬件卡模拟，硬件卡是一个智能卡芯片。

图1是NFC模块与手机模块之间数据流传输处理过程。路径1为天线接收到信号发送给NFC控制器， 路径2为NFC控制器与应用处理器之间的命令和数据流。路径3为SIM卡安全模块与应用处理芯片控制器之间的命令和数据交互。安全模块不仅可以通过NFC接口与外部交互，也可以与主控制器进行连接。这样安全模块中的信息可以通过手机或者蜂窝网络控制或通过路径4与NFC接口控制，这两种方式通常只选择其中一种，也就是说这两个连接在同一时间只有一个是被激活的。

博通的这款设计方案就是使用SIM卡的C6引脚的SWP（Single Wire Protocol）单线连接接口方案（图2） 。SWP分为两个协议，一个是SWP（物理层）协议，另一个是HCI（应用层）协议。

其中SWP信号通过电压调制和负载调制实现全双工通讯，这样实现了SIM卡在ISO7816 端定义下同时支持7816接口 和SWP 接口；而SIM卡的COS是多任务的操作系统，同时支持ISO和SWP两个协议栈，ISO和SWP两个部分是独立管理的，ISO端的复位信号对SWP接口部分无效。

2.3 信息安全与解密

图3显示的是NFC安全元素的配置，其中SWP_1是标准的数字信号，SIM 卡检测SWP_1信号的高低变化，同时时钟信号可以在SWP_1信号的编码基础上恢复；当SWP_0=1，SWP_1=1时， NFC控制芯片通过电流检测SWP_0信号的高低变化，将SWP_1 信号和SWP_0信号叠加，在SWP 线上传输的将是准数字信号，该准数字信号可以通过特定的接收接收电路和特定的解调电路恢复出信息。

2.4 NFC天线设计

天线在设计中要防止频率偏离13.56Mhz，NFC 应用系统是通过该频率载波实现双向数据通讯的。当NFC的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，NFC天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。由NFC的线圈天线形成的谐振回路如图4所示， 它包括NFC 天线的线圈电感L 、寄生电容Cp和并联电容C2′，其谐振频率为： （[C=CP//C′2]，式中C 为Cp 和C2′的并联等效电容）。

在NFC技术中13.56Mhz天线是一种高温烧结的铁氧材料，标签天线在读卡器激发感应产生交变电磁场，容易受手机内部金属的涡流衰减，使信号强度大大减弱，降低金属材料对信号磁场的吸收，从而接收效果不理想导致读取过程失败。在设计中通过增加磁场强度可有效增加感应距离，但同时也增加了信号的噪声。因此为了能够更好的应用读卡功能需要增加吸波材料，通过不断实验证明吸波材料夹在NFC天线和电池之间能有效改善接受效果。常见的生产吸波材料的公司有TDK和NEC等。

3 总结

本文研究了NFC技术在智能手机中实现，对硬件架构和关键技术难点进行了分析，根据智能手机设计规范对其中一些技术环节进行了研究，特别是在NFC模式应用软件安全性开发和集成博通NFC方案上做了详细的研究。NFC技术的发展将改变消费者的消费行为和消费习惯，移动支付将为电信运营商和金融机构创造新的商机。作为智能手机的设计者将在NFC设计过程中不断积累技术经验，这也是我们下一步的工作重点。

参考文献：

[1] BCM43341 Preliminary Data Sheet P19-23，27-30，38，96-109，161，172.

[2] 林苑晴，NFC 移动电子付费进入实用阶段[J].电子技术，2005（6）：22-23.

[3] Michael Gebhart， Roland Neubauer， Michael Stark. 3rd International Workshop on Near Field Communication， 22 Feb 2011： Design of 13.56 MHz Smartcard Stickers with Ferrite for Payment and Authentication[C]. Hagenberg Austria：IEEE Computer Society，2011.

[4] http：//wenku.baidu.com/view/db7e6a1552d380eb62946d1e.html.

[5] 2012影响企业移动战略的十大技术[EB/OL].http：//ww.ciotimes.com/2012/0411/61676.html.